新世纪的曙光——量子计算机
郭 桐
郭 桐 物理工程学院 12级物理学（本硕）
E-mail ：[email protected]
关键词：量子计算机 诺贝尔物理学奖 量子力学 偶然性
朵朵白云在湛蓝的天空中巧妙地点缀，随着时间的推移，白云再也遮挡不住，于是，太阳的光茫显露了出来。无边无际的大地上落满了太阳的光辉，是那么的耀眼、夺目„„又给人那么美好的享受与展望。
2012年10月9日，在这个晴朗的一天，一切事物都是格外的美好，法国科学家Serge Haroche 与美国科学家David J.Wineland 的心情想必也一定不错。他们因“突破性的试验方法使得测量和操控单个量子系统成为可能”而获得了2012年的诺贝尔物理学奖。他们的成就和他们突破性的试验方法使得根据量子物理学来建造一种超级超快计算机的新领域向前迈出了第一步。这一步可以说是具有历史性意义的，当然笔者认为这也许就是他们打败今年争夺诺贝尔物理学奖最热门的“上帝粒子”的原因。这种超级超快计算机对人们的生活和微观世界的研究有着重要意义，这种计算机也被叫做——量子计算机。
量子计算机——定义与发展史
随着物理学家们对量子计算机的研究，量子计算机是一种根据量子力学规律来进行高速数学和逻辑运算、储存及处理量子信息的物理装置。当然，量子计算机不是让我们用来玩游戏的，因为这好比拿激光切割机去切纸一样，有些大材小用。
著名物理学家理查德·费曼最早提出量子计算机这个概念，他当时认为若用量子系统的计算机来模拟量子现象，可以大大减少运算时间。随着时间的推移，量子计算机被更多的人研究，它的各方面的性质及特点也被更多的人所接受。量子计算机的基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。在1994年，Peter Shor提出质因子分解算法，对通行于银行及网络等处的RSA 加密算法可以破解而构成威胁，因此，量子计算机变得更加热门。直到今天，量子计算机的研究终于迎来了新的曙光。
量子计算机——量子力学
说到量子计算机，不得不提的就是量子力学。笔者认为，量子力学特点之一就是一种随机性、偶然性表现。举个例子，体育彩票通常会通过抽取在容器中随机滚动的标有数字的小球来决定谁是正真的赢家，随机抽取确保了游戏的公平性，因为每一张彩票中奖的概率都是
一样的。物理是有关力和运动的科学，也许会有人要求物理学家经过精密的计算来确定小球的运动状态、路线与旋转情况，最终得出小球最后将显示的号码，小球的数目和容器的大小使得这项工作变得困难，任何一个小球的运动都是复杂的，因为在小球运动期间它要和容器与其他的小球进行碰撞，所以小球要显示什么号码完全是随机偶然的。正如量子力学所描述的那样，在整个宇宙中，偶然性随处可见。再比如说，量子力学要去描述一个粒子的运动，它可能会这样说：粒子有50%的可能通过小孔A ，有30%的可能通过小孔B ，有20%的可能通过小孔C 。至于在某次具体的实验中，粒子将走哪条路径，量子力学就无能为力了。
关于量子力学的不确定性，一直有科学家对其进行排斥，薛定谔就是其中之一，他的观点是，不存在所谓的不确定状态。他的一项“思维实验”——“薛定谔的猫”就是这样描述的：一只猫被关在一个装有致命毒药的箱子里，瓶子随时都有可能破裂，而我们看不到箱子里的情况，也听不到箱子里的任何动静，所以没有人知道瓶子是否打破并把猫毒死了。按照量子力学的解释，只有看的动作能够决定事物的走向，那么，在人们打开箱子之前，猫就应该被认为既是活的又是死的！因为那只猫要么是活的，要么是死的，取决于是否有人在看。然而薛定谔的论证并不像他所希望的那么有效。他的观点不仅没有造成对量子力学实质性的质疑，相反却强调了一种新型的令人惊讶的计算机的可能基础，因为量子力学所描述的不确定状态使量子计算机具备比经典计算机大得多的灵活性，这也为量子计算机的进一步发展奠定了基础。
量子计算机——工作原理
现在的经典计算机处理的是有1和0组成的长长的数字串的二进制数据，1和0叫做比特，它们易于被计算机储存和加工，而基于量子力学的量子计算机处理的可能也是二进制数据，但那时的逻辑状态就可以是1或者0或者1和0的叠加。量子计算机的优点是它拥有更多的工作状态而且可以平型加工信息（同时加工很多信息而不是系列加工）。举个例子，安全网页所用的128位加密的128位数字，这样数字的大小可以说是个天文数字，但对于量子计算机强大的并行计算能力来说，别说是128位了，就算是更多的位数，破解它也是轻而易举的。
当然，说到量子计算机的工作原理，就不得不说它是如何使各个成分之间关联起来的，这就要引入“量子纠缠”的概念了，“纠缠”不受距离的限制，能够穿越任何空间而起作用，即使粒子之间相隔数公里，甚至它们位于不同的星系，对其中一个粒子的测量就决定了另一个粒子的状态。这就是量子计算机关联各个成分的关键。再举个例子加深读者对量子计算机的理解：现有函数y=f(x),x∈A ，量子计算的输入的是定义域A ，一步到位得到输出值域B ，即B=f(A)；经典计算的输入的是x ，得到输出值y ，要多次计算才能得到值域B ，即y=f(x),x∈A,y ∈B 。
量子计算机——实际应用
根据量子计算机的特点（量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，相互之间不正交；量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换），人们向着创新和利于人们更好地生活方面不断的迈进。
量子计算机可以进行大量复杂的运算。量子计算机具有可以并行运算的性质，因此对于几千次上万次的运算不在话下。
若研究量子体系的精确特征，有了量子计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡
洛方法在经典计算机上做数值运算。
量子计算机可以为保密通讯做出贡献。在利用EPR （electronic public relation ）进行量子通讯中，要想完成量子信息的传递，就必须双方都拥有EPR 对，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息。也就是说利用量子纠缠的性质，没有这个粒子在A 点的状态，就不会知道在B 点粒子的性质，这也为政府与大型网络机构的机密文件不被泄露提供了强效有力的保障。
量子计算机还可以测量星体的精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等大规模、高精度的高浮点运算的工作。
当然还有许多量子计算机领域的应用都在等着我们的研究„„
量子计算机——现存的问题
在量子计算机逆天的强大功能背后，存在的是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。举个例子，1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏电量但这些电量在短短的10天就会被消耗殆尽。如果一台量子计算机每天工作6小时以上，恐怕寿命连1年都不到。如果一台量子计算机每小时产生的热量使自身温度升高70摄氏度，那么6个小时后散热装置可能将要被融化。量子计算机存在的问题还有很多：比如说量子相干性很难保持，不确定状态一经测量便不复存在„„
量子计算机——展望未来
量子计算机存在着很多的问题，因此这就给我们这些后来人这些热爱物理的人留下了很大的发展空间，世界上的第一台真正应用到生活中的量子计算机还不存在，这还需要我们这些后人更加的努力。
文章的最后，在引用一下笔者最为欣赏的王国维先生的三境界来形容一下量子计算机研究的过去、现在和将来：“昨夜西风凋碧树，独上高楼，忘尽天涯路”“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”„„
参考文献：
【1】纪录片——PBS 爱因斯坦
新世纪的曙光——量子计算机
郭 桐
郭 桐 物理工程学院 12级物理学（本硕）
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关键词：量子计算机 诺贝尔物理学奖 量子力学 偶然性
朵朵白云在湛蓝的天空中巧妙地点缀，随着时间的推移，白云再也遮挡不住，于是，太阳的光茫显露了出来。无边无际的大地上落满了太阳的光辉，是那么的耀眼、夺目„„又给人那么美好的享受与展望。
2012年10月9日，在这个晴朗的一天，一切事物都是格外的美好，法国科学家Serge Haroche 与美国科学家David J.Wineland 的心情想必也一定不错。他们因“突破性的试验方法使得测量和操控单个量子系统成为可能”而获得了2012年的诺贝尔物理学奖。他们的成就和他们突破性的试验方法使得根据量子物理学来建造一种超级超快计算机的新领域向前迈出了第一步。这一步可以说是具有历史性意义的，当然笔者认为这也许就是他们打败今年争夺诺贝尔物理学奖最热门的“上帝粒子”的原因。这种超级超快计算机对人们的生活和微观世界的研究有着重要意义，这种计算机也被叫做——量子计算机。
量子计算机——定义与发展史
随着物理学家们对量子计算机的研究，量子计算机是一种根据量子力学规律来进行高速数学和逻辑运算、储存及处理量子信息的物理装置。当然，量子计算机不是让我们用来玩游戏的，因为这好比拿激光切割机去切纸一样，有些大材小用。
著名物理学家理查德·费曼最早提出量子计算机这个概念，他当时认为若用量子系统的计算机来模拟量子现象，可以大大减少运算时间。随着时间的推移，量子计算机被更多的人研究，它的各方面的性质及特点也被更多的人所接受。量子计算机的基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。在1994年，Peter Shor提出质因子分解算法，对通行于银行及网络等处的RSA 加密算法可以破解而构成威胁，因此，量子计算机变得更加热门。直到今天，量子计算机的研究终于迎来了新的曙光。
量子计算机——量子力学
说到量子计算机，不得不提的就是量子力学。笔者认为，量子力学特点之一就是一种随机性、偶然性表现。举个例子，体育彩票通常会通过抽取在容器中随机滚动的标有数字的小球来决定谁是正真的赢家，随机抽取确保了游戏的公平性，因为每一张彩票中奖的概率都是
一样的。物理是有关力和运动的科学，也许会有人要求物理学家经过精密的计算来确定小球的运动状态、路线与旋转情况，最终得出小球最后将显示的号码，小球的数目和容器的大小使得这项工作变得困难，任何一个小球的运动都是复杂的，因为在小球运动期间它要和容器与其他的小球进行碰撞，所以小球要显示什么号码完全是随机偶然的。正如量子力学所描述的那样，在整个宇宙中，偶然性随处可见。再比如说，量子力学要去描述一个粒子的运动，它可能会这样说：粒子有50%的可能通过小孔A ，有30%的可能通过小孔B ，有20%的可能通过小孔C 。至于在某次具体的实验中，粒子将走哪条路径，量子力学就无能为力了。
关于量子力学的不确定性，一直有科学家对其进行排斥，薛定谔就是其中之一，他的观点是，不存在所谓的不确定状态。他的一项“思维实验”——“薛定谔的猫”就是这样描述的：一只猫被关在一个装有致命毒药的箱子里，瓶子随时都有可能破裂，而我们看不到箱子里的情况，也听不到箱子里的任何动静，所以没有人知道瓶子是否打破并把猫毒死了。按照量子力学的解释，只有看的动作能够决定事物的走向，那么，在人们打开箱子之前，猫就应该被认为既是活的又是死的！因为那只猫要么是活的，要么是死的，取决于是否有人在看。然而薛定谔的论证并不像他所希望的那么有效。他的观点不仅没有造成对量子力学实质性的质疑，相反却强调了一种新型的令人惊讶的计算机的可能基础，因为量子力学所描述的不确定状态使量子计算机具备比经典计算机大得多的灵活性，这也为量子计算机的进一步发展奠定了基础。
量子计算机——工作原理
现在的经典计算机处理的是有1和0组成的长长的数字串的二进制数据，1和0叫做比特，它们易于被计算机储存和加工，而基于量子力学的量子计算机处理的可能也是二进制数据，但那时的逻辑状态就可以是1或者0或者1和0的叠加。量子计算机的优点是它拥有更多的工作状态而且可以平型加工信息（同时加工很多信息而不是系列加工）。举个例子，安全网页所用的128位加密的128位数字，这样数字的大小可以说是个天文数字，但对于量子计算机强大的并行计算能力来说，别说是128位了，就算是更多的位数，破解它也是轻而易举的。
当然，说到量子计算机的工作原理，就不得不说它是如何使各个成分之间关联起来的，这就要引入“量子纠缠”的概念了，“纠缠”不受距离的限制，能够穿越任何空间而起作用，即使粒子之间相隔数公里，甚至它们位于不同的星系，对其中一个粒子的测量就决定了另一个粒子的状态。这就是量子计算机关联各个成分的关键。再举个例子加深读者对量子计算机的理解：现有函数y=f(x),x∈A ，量子计算的输入的是定义域A ，一步到位得到输出值域B ，即B=f(A)；经典计算的输入的是x ，得到输出值y ，要多次计算才能得到值域B ，即y=f(x),x∈A,y ∈B 。
量子计算机——实际应用
根据量子计算机的特点（量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态，相互之间不正交；量子计算机中的变换为所有可能的幺正变换），人们向着创新和利于人们更好地生活方面不断的迈进。
量子计算机可以进行大量复杂的运算。量子计算机具有可以并行运算的性质，因此对于几千次上万次的运算不在话下。
若研究量子体系的精确特征，有了量子计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡
洛方法在经典计算机上做数值运算。
量子计算机可以为保密通讯做出贡献。在利用EPR （electronic public relation ）进行量子通讯中，要想完成量子信息的传递，就必须双方都拥有EPR 对，任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息。也就是说利用量子纠缠的性质，没有这个粒子在A 点的状态，就不会知道在B 点粒子的性质，这也为政府与大型网络机构的机密文件不被泄露提供了强效有力的保障。
量子计算机还可以测量星体的精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等大规模、高精度的高浮点运算的工作。
当然还有许多量子计算机领域的应用都在等着我们的研究„„
量子计算机——现存的问题
在量子计算机逆天的强大功能背后，存在的是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。举个例子，1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏电量但这些电量在短短的10天就会被消耗殆尽。如果一台量子计算机每天工作6小时以上，恐怕寿命连1年都不到。如果一台量子计算机每小时产生的热量使自身温度升高70摄氏度，那么6个小时后散热装置可能将要被融化。量子计算机存在的问题还有很多：比如说量子相干性很难保持，不确定状态一经测量便不复存在„„
量子计算机——展望未来
量子计算机存在着很多的问题，因此这就给我们这些后来人这些热爱物理的人留下了很大的发展空间，世界上的第一台真正应用到生活中的量子计算机还不存在，这还需要我们这些后人更加的努力。
文章的最后，在引用一下笔者最为欣赏的王国维先生的三境界来形容一下量子计算机研究的过去、现在和将来：“昨夜西风凋碧树，独上高楼，忘尽天涯路”“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”„„
参考文献：
【1】纪录片——PBS 爱因斯坦